作者:记者 唐琳 王佳雯 来源: 发布时间:2021-3-16 2:8:51
胡勇胜:在电池研究应用领域走少有人走的路

   能源,是人类赖以生存的物质基础。能源短缺和环境污染已成为全球性问题,尤其对世界上最大的能源消费国——中国而言,清洁能源的开发利用是关系国计民生的重要科技难题。

   中国科学院物理研究所(以下简称物理所)研究员胡勇胜已经为此奋斗了近20年。二十年如一日,他致力于引领全球钠离子电池技术与应用的发展趋势,率先在实现钠离子电池的产业化和商业化应用领域交出了一份令人满意的答卷,用实际行动彰显了一名科学家的责任和使命。

 

将梦想交付于有意义的事业

 

   2001年,胡勇胜成为物理所的一名博士生,师从中国锂电研究第一人——物理所陈立泉院士。在陈立泉院士的指导下,胡勇胜勤奋攻读,在固态电池相关研究方向上种下了梦想的种子。

   博士毕业后,陈立泉院士亲自写了推荐信,将胡勇胜推荐至德国马克斯?普朗克固体研究所,之后他又前往美国加州大学圣芭芭拉分校做博士后。海外的研究历程,让胡勇胜进一步拓展了对所在领域全球科学前沿进程的认知,也构建起了更加完备的研究体系。

   经过多年欧洲、美国的学习和工作,胡勇胜于2008年决定回到他科研之路的起点——物理所工作,并将自己的研究方向确定为低成本、安全环保、高性能钠离子电池关键材料与技术的研究和开发。他知道,迫切需要清洁新能源技术的中国才是他施展能力的舞台,他愿意用自己的知识,为祖国的新能源技术发展作出贡献。

 

从锂电池到钠电池

 

   2001年,我国已开始大力推广新能源汽车,伴随而来的是对锂需求的持续快速增长。地球上锂的储量是有限的,且分布不均(70%在南美洲),目前我国80%的锂资源依赖进口,这对于发展应用在智能电网和可再生能源大规模储能的长寿命储能电池来说,很可能是一个瓶颈。并且,依照全球锂资源的储备,可开采的锂只可满足15亿辆电动车的需求。

   相比之下,钠在地壳中储量丰富,约占2.74%,为第六丰富元素,且分布广泛,而钠具有和锂相似的物理化学性质和储存机制。另一方面,由于钠价格低廉,钠离子电池具有很大的潜在价格优势,非常适合应用于低速电动车、5G通讯基站、数据中心和大规模储能等领域。因此,发展针对于大规模储能应用的室温钠离子电池技术具有重要的战略意义。

   在钠离子电池这一全新的研究方向上取得关键性突破,独立开发出具有完全自主知识产权的低成本、安全环保的钠离子电池材料体系,成为胡勇胜确立的新目标。为此,胡勇胜团队一直在成本与性能的双重考验下持续前行。当时,诸多团队都在研究将含锂材料替换为含钠材料,但却很难在成本和效能上达到平衡。

   例如,在将三元氧化物中的锂替换为钠的研究中,会应用到镍和钴,但这两种金属均价格高昂。在失败中总结经验,在摸索中坚定前行。2014年,胡勇胜团队终于在正极材料上取得了创新性突破。他们用更便宜的铜替代镍和钴,进一步将铜与铁和锰融合,形成全新的正极材料,在使性能得到大幅提升的同时,也解决了镍、钴元素成本过高的问题。

   研究的下一个难关就是电池的负极材料选择。当下锂电池的负极材料多采用石墨,但市场上一吨石墨的平均价格为5万元,于是,胡勇胜团队开始思考如何开发一款低成本、无定形的碳负极材料。通过大量的基础研究工作,胡勇胜想到了无烟煤,其储量是石墨的三四千倍,且纯度较高,可通过简单处理使之成为理想的负极材料。在进一步的实验后,胡勇胜团队走通了这条路,经过这一技术路径处理后的负极材料的成本降到了1万元/吨。

   秉承陈立泉院士科技报国精神,胡勇胜坚持基础前沿研究和应用研究相融合。自2011年起,由胡勇胜带领的研发团队在物理所40多年锂电池研究积累的基础上,致力于低成本、安全环保、高性能钠离子电池技术的研发,开发出具有完全自主知识产权的钠离子电池化学体系,目前已经在正极、负极、电解质、添加剂、粘接剂等关键材料方面申请了30余项发明专利;已授权20项发明专利,其中包括多项美国、日本和欧盟专利。

 

从产业突破中要答案

 

   作为一项重大应用基础研究,只有科研成果是不够的,科技创新成果最终要转化为现实生产力。而对于电池研究而言,就是要把电池技术应用到现实产业,走进千家万户。

   胡勇胜深知,钠离子电池研究最终要在实践中检验真知,而不是将论文束之高阁。但从研究走向产业,意味着前路有许多未知的挑战,需要在解决研究问题之外,更多地对产业需求有更深入的了解,甚至对运营一家企业有更全面的准备。但这些,对一位一直扎根科学研究一线的科学家而言,显然是有些陌生的。

   挑战前面,胡勇胜勇敢地站了出来。这一过程中,经历了多少次的跌倒、爬起,胡勇胜已经记不清了。但最终,他还是坚持带领团队闯出了一条路。

   2017年,依托物理所钠离子电池技术的国内首家专注于钠离子电池开发与制造的企业——中科海钠科技有限责任公司注册成立,从此钠离子电池商业化进程得以加速,从电极材料的基础研发到放大制备和生产,从材料到电芯,从单体电池到电池?,从电池组件到低速电动车,扎实推进、稳步前行。

   目前公司已建成了百吨级的正、负极材料生产线和MWh级产能的钠离子电芯生产线,开发出能量密度为150 Wh/kg、循环寿命达4000周的钠离子电芯,自2017年起先后开展了钠离子电池在电动自行车、低速电动车、家庭储能柜上的示范运行;2019年3月研制成功的100kWh钠离子电池储能电站在物理所长三角研究中心正式投入运行。2021年,胡勇胜团队还将建设一个更大的电站——1兆瓦时电站,这将是世界上首个如此大规模的钠离子电池储能电站,它会将国内相关领域的产业化在国际上的领先地位再推进一步。

 

不忘初心 砥砺前行

 

   作为物理所清洁能源实验室主任,胡勇胜带领团队战斗在科研一线,并在科技成果转移转化上践行了敢为人先的准则。

   2016年,胡勇胜的名字出现在第十四届中国青年科技奖获得者名单中,这是对其创新性工作的高度肯定。作为博士生导师的胡勇胜积极承担育人职责,2018年,其辅导的学生荣获“中国科学院优秀博士学位论文奖”,而他本人也获得“中国科学院优秀导师奖”“中国科学院大学优秀本科生指导教师”荣誉。

   道阻且长,行则将至。全球大规模储能产业快速发展的今天,特别是在众多电化学储能技术中,钠离子电池将凭借其独特的优势在储能领域拥有广阔的用武之地。经过许多如胡勇胜一样的科学家潜心努力,我国钠离子电池在基础研究、技术水平和产业化推进速度方面都处于国际领先地位,已具备了先发优势。无论从国家的政策扶持和市场引导等角度,还是企业自身技术发展和产业布局等角度,中国都有机会获得钠离子电池产业发展的主导权。

   回望这二十余年,胡勇胜总结出支持他绝不言弃的信念,这便是专注做一件事。但他深知,前路还有很远,放眼未来,他将继续在钠离子电池研究与应用的领域潜心钻研,为中国引领全球钠离子电池技术与应用的发展趋势,率先在全球范围内实现钠离子电池的产业化和商业化应用,作出一位科学家应有的贡献!

 

 

《科学新闻》 (科学新闻2021年2月刊 人物)
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